基于單片機的高校教學樓智能照明系統(tǒng)

白慧茹

（山西應用科技學院 山西省太原市 030062）

1 引言

近年來，國內高校消耗電能的比重還在不斷的上升，其中學校的照明系統(tǒng)更是占到了學?？傁碾娔艿囊话胍陨?。很多學校為了避免晚上教學樓燈具持續(xù)開著，每天都會安排相關人員去教學樓檢查，不僅浪費人力而且節(jié)能效果不明顯。

當前節(jié)約用電的方法主要通過人工來控制燈具的亮滅，加裝上光控開關或者聲控開關來控制燈具，或者是更換為太陽能等新能源設備的方式。但是，通過聲控、光控的方式來控制燈具，相關人員在維修操作的時候比較麻煩，而且照明系統(tǒng)出錯率也高。如果采用太陽能等新能源設備用于照明的話，初期需要投入的資金比較大，其次這些新能源雖然可以節(jié)能，但是天氣等因素對其影響比較大，在節(jié)約高校電能能源方面的實用性不強。因此，本文提出了一種基于單片機的高校教學樓智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各個模塊連接到一起，通過各模塊的協(xié)調工作來自動控制燈具的亮滅，人們只需定期維修檢查即可，方便管理，同時可以節(jié)約電能，增加燈具的使用壽命。

2 智能照明控制系統(tǒng)功能

本智能照明控制系統(tǒng)用更加節(jié)能的LED 燈具來替換傳統(tǒng)的熒光燈，LED 燈壽命長、節(jié)能效果好，后期維修和電能消耗所花費的費用低。照明控制系統(tǒng)一般有上位機和下位機兩個部分，上位機通過一定的通信協(xié)議來對下位機進行操作，下位機連接著照明燈具，這樣通過上位機就可以控制燈具的開啟和閉合。本文系統(tǒng)考慮到實際成本和操作復雜程度和安裝設備的復雜程度，僅使用照明系統(tǒng)中的下位機部分，這樣不僅節(jié)省了成本，而且節(jié)能效果也比較明顯。下位機主要包括單片機、人體紅外模塊、光照度模塊，將數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器按照實驗確定好的最佳位置分別布置在每個教室中，實時地檢測教學樓中教室內的光照度情況和人員情況[1]。通過提前在單片機中寫入程序數(shù)據(jù)，使智能照明系統(tǒng)自動運行工作，系統(tǒng)通過實時的將采集到的數(shù)據(jù)與提前輸入的數(shù)據(jù)進行對比，然后根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果來控制燈具是否開啟。

教學樓智能照明控制系統(tǒng)的功能主要包括以下幾點：

（1）在人體紅外模塊采集了數(shù)字信號后，單片機通過接收紅外模塊采集信號的高電平或者低電平來判斷當前教室內是否有人活動，高電平位有人，低電平為無人；

圖1：STC89C52 單片機最小系統(tǒng)

圖2：LM393 實物圖

圖3：LM393 內部結構圖

圖4：熱釋電原件實物圖和菲涅爾透鏡實物圖

表1：學校建筑照明標準

表2：邏輯關系式

（2）在光照度探測模塊采集了光照度信號后，單片機通過接收光照模塊的采集數(shù)據(jù)來判斷是否達到了要求的亮度，從而控制燈具亮滅；

（3）單片機對采集到的信息進行處理，然后根據(jù)處理后得到的結果來控制模塊工作，從而實現(xiàn)控制燈具的亮滅。

3 教學樓智能照明控制系統(tǒng)的硬件設計

3.1 STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)設計

本設計的智能系統(tǒng)所使用的是既便宜，而且可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的STC89C52RC 芯片。STC89C52RC 芯片是STC 公司所生產的一種微控制器，此芯片耗能非常低，而且芯片運行性能非常高，是高新能的8 位控制器[2]。STC89C52RC 單片機的最小系統(tǒng)就是用最少的器件組成可以正常運行的系統(tǒng)，包含STC89C52RC 單片機、電源電路、復位電路、時鐘電路等[3]。此系統(tǒng)的供電方式采取了5V 直流的供電方式，因此使用7805 三端穩(wěn)壓芯片來使交變電流變?yōu)橹绷麟娏?，需要在電路中加入一個5V 的穩(wěn)壓直流電源來為電路提供所需要的5V 直流電源。在連接時首先要將單片機的VCC 與VSS 接在電源的+5V 和地端。圖1 所示的是STC89C52 單片機最小系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊設計

3.2.1 光照度模塊電路

該智能照明系統(tǒng)是在保持教室學生適宜的照度情況下盡可能地節(jié)約電能，在光照值的設定過程中，嚴格按照國家制定的照明標準，其中在《建筑照明設計標準》（GB 50034-2013）中對學校建筑照明做了如表1 所示的標準：

光照度探測模塊選擇使用的是光敏電阻傳感器模塊，此模塊中使用LM393 芯片、光敏電阻、指示小燈以及一些電容電阻。如圖2 所示，LM393 芯片內部是一個雙電壓比較器集成電路，在工作的時候，將接在R-Light 端的受到光照時光敏電阻所產生的電阻值變化情況轉變成為電壓信號，然后將這個電壓信號在傳遞給LM393芯片中的同相輸入端IN B+，將收集到的這個電壓與此芯片中的反向輸入端IN A-端設定的基準電壓進行比較，當同相端INB+電壓大于反相端INA-端電壓時，LM393 芯片的輸出端輸出高電平電壓，即輸出TTL 信號為“1”，反之，LM393 芯片的輸出端輸出低電平電壓 ，即輸出TTL 信號為“0”。如圖3 所示。

單片機通過此信號，來判斷周圍環(huán)境中光照度的強弱。在周圍環(huán)境中的光照度充足時，光敏電阻傳感器模塊中的光敏電阻的阻值非常小，使得IN B+端電壓值小于IN A-端電壓值，此時輸出端OUT 輸出低電平電壓，即為“0”。在周圍環(huán)境中的光照度低于設定的標準值時，光敏電阻的阻值增大，使得IN B+端的電壓值高于IN A-端的電壓值，此時輸出端OUT 輸出高電平電壓，即“1”。

3.2.2 人體紅外模塊電路

如圖4 所示，人體紅外探測模塊通過熱釋電紅外傳感器來檢測人體所輻射出來的紅外線，以此來判斷教室內是否有人員在活動。通過在熱釋電紅外傳感器前面加裝菲涅爾透鏡，使熱釋電紅外傳感器可極靈敏的檢測到人體紅外線。其工作原理是人體發(fā)出的紅外線通過菲涅爾透鏡后聚集到紅外感光源上，紅外感光源接收到人體輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，之后電路經檢測后就能產生報警信號[4]。

圖5：光照檢測子程序的流程圖

3.2.3 光照度傳感器和人體紅外傳感器的放置

3.2.3.1 光照度探測傳感器

為了提高光照度模塊探測到的數(shù)據(jù)的準確性，本系統(tǒng)中在教室布置的照度探測模塊需要在4 個以上，教室中安裝3 個，并且安裝到可以被窗簾遮擋住的地方，這樣可以提高照度模塊收集信息的準確性，另一個安裝在教室外邊，避免晚上教室開燈之后光照燈光對系統(tǒng)造成影響。

3.2.3.2 人體紅外探測模塊

本設計所選擇的紅外感光源采用的是熱釋電源件，為了減少探測器的錯誤幾率，在對教室紅外探測模塊布置的時候要符合以下幾個條件：

（1）要遠離空調，暖氣片等地方；

（2）在紅外探測模塊的探測范圍內不能放置有難以穿透的物體，以免影響探測器的正常工作；（3）不能將探測模塊放在氣流活動比較強烈的地方，以免給探測器探測結果造成誤差。

4 教學樓智能照明控制系統(tǒng)的軟件設計

4.1 相關模塊收集數(shù)據(jù)的設計

系統(tǒng)工作原理為：當教室內光照度充足時，無論教室內有沒有人，燈具都會處于關閉狀態(tài)；當教室內光照度不夠時，教室內有人時燈具會自動打開為教室使用者提供光照，教室內無人是燈具依然處于關閉狀態(tài)。在設二進制的邏輯關系的時候應該與數(shù)據(jù)采集模塊的相關模塊輸出信號一致，將光照度充足設置為“0”，關照度不足設置為“1”，教室內有人設置為“1”，教室內沒人設置為“0”，教室內燈具開啟設置為“1”，教室內燈具關閉設置為“0”。而關照度與教室內是否有人是邏輯與的關系，只有二者同時為“1”時，燈具才為“1”，即燈具開啟，邏輯關系式如表2 所示。

4.2 光照度探測模塊

中國住建部頒布的《建筑照明設計標準》（GB50034-2013）中明確的對學校建筑照明標準做了規(guī)定。其中對教室的光照度的標準是平均光照度“＞=300lx”，所以我們按照這個照度標準來設置光照度的臨界值，當檢測到教室的光照度高于300lx 時燈具關閉，反之燈具打開。圖5 是光照檢測子程序的流程圖。

4.3 人體紅外探測模塊設計

在整個系統(tǒng)正常運行時，采集數(shù)據(jù)模塊中的人體紅外模塊會實時的對教室內的人員狀況進行檢測，然后模塊通過向單片機傳遞高低電平來使單片機判斷教室內是否有人員存在。人體紅外模塊的工作流程大體包括以下幾部分：首先是給定時器和中端口進行初始化，并且設置初值，定時器的計數(shù)初值設置為0，從0 開始計數(shù)；然后對中斷進行定義，這其中包括定時器中斷和紅外探測中斷；系統(tǒng)正常運行時，當單片機接收到人體紅外中斷信號時，燈具開啟，此時定時器開始計時，開始延時。當延時結束的時候，若紅外探測模塊依然探測到教室內有人，則單片機繼續(xù)執(zhí)行人體紅外中斷，燈具持續(xù)開啟，若探測到教室內沒人時，定時器中的count 值返回為0，燈具關閉。

5 總結

本文以節(jié)約能源為主要的目的，針對國內高校目前消耗能源比較嚴重的現(xiàn)象，并將能源中消耗最大的電能作為主要研究對象進行研究和分析，提出了一套適合目前高校教學樓中照明的智能照明控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)硬件設計方面，STC89C52RC 單片機為主控制芯片，在數(shù)據(jù)采集模塊中采用LM393 芯片和BISS0001 芯片，其中LM393 結合光敏電阻用來檢測光照度，BISS0001 芯片用來檢測教室是否有人活動，同時設計出了教室采集模塊的布置方式；在軟件設計方面，對系統(tǒng)主程序和各個模塊程序進行設計。有效地實現(xiàn)了高校教學樓的智能照明，降低了能源的消耗。